Ionisering - Ionization

Ionisering eller ionisering er prosessen der et atom eller et molekyl får en negativ eller positiv ladning ved å få eller miste elektroner , ofte i forbindelse med andre kjemiske endringer. Det resulterende elektrisk ladede atom eller molekyl kalles et ion . Ionisering kan skyldes tap av et elektron etter kollisjoner med subatomære partikler , kollisjoner med andre atomer, molekyler og ioner, eller gjennom samspillet med elektromagnetisk stråling . Heterolytisk bindingsspaltning og heterolytiske substitusjonsreaksjoner kan resultere i dannelse av ionepar. Ionisering kan skje gjennom radioaktivt forfall ved den interne konverteringsprosessen , der en opphisset kjerne overfører energien til en av de indre skallelektronene som får den til å bli kastet ut.

Bruker

Hverdagseksempler på gassionisering er for eksempel i en fluorescerende lampe eller andre elektriske utladningslamper . Det brukes også i strålingsdetektorer som Geiger-Müller-telleren eller ioniseringskammeret . Ioniseringsprosessen er mye brukt i en rekke utstyr innen grunnleggende vitenskap (f.eks. Massespektrometri ) og i industrien (f.eks. Strålebehandling ).

Produksjon av ioner

Skredeffekt i et elektrisk felt opprettet mellom to elektroder. Den opprinnelige ioniseringshendelsen frigjør ett elektron, og hver påfølgende kollisjon frigjør et ytterligere elektron, så to elektroner kommer ut av hver kollisjon: det ioniserende elektronet og det frigjorte elektronet.

Negativt ladede ioner dannes når et fritt elektron kolliderer med et atom og deretter blir fanget inne i den elektriske potensialbarrieren og frigjør overflødig energi. Prosessen er kjent som elektronfangstionisering .

Positivt ladede ioner dannes ved å overføre en mengde energi til et bundet elektron i en kollisjon med ladede partikler (f.eks. Ioner, elektroner eller positroner) eller med fotoner. Terskelbeløpet for den nødvendige energien er kjent som ioniseringspotensial . Studiet av slike kollisjoner er av grunnleggende betydning med hensyn til fåkroppsproblemet , som er et av de store uløste problemene i fysikk. Kinematisk komplette eksperimenter , dvs. eksperimenter der den fullstendige momentvektoren for alle kollisjonsfragmenter (det spredte prosjektilet, det rekylende målionen og det utstøtte elektronet) bestemmes, har bidratt til store fremskritt i den teoretiske forståelsen av fåkroppsproblemet i de senere år.

Adiabatisk ionisering

Adiabatisk ionisering er en form for ionisering der et elektron fjernes fra eller legges til et atom eller molekyl i sin laveste energitilstand for å danne et ion i sin laveste energitilstand.

Den Townsend utladning er et godt eksempel på dannelsen av positive ioner og frie elektroner på grunn av ione-effekten. Det er en kaskadereaksjon som involverer elektroner i et område med et tilstrekkelig høyt elektrisk felt i et gassformig medium som kan ioniseres, for eksempel luft . Etter en original ioniseringshendelse, på grunn av for eksempel ioniserende stråling, driver det positive ionet mot katoden , mens det frie elektronet driver mot anoden til enheten. Hvis det elektriske feltet er sterkt nok, får det frie elektronet tilstrekkelig energi til å frigjøre et ytterligere elektron når det neste kolliderer med et annet molekyl. De to frie elektronene beveger seg deretter mot anoden og får tilstrekkelig energi fra det elektriske feltet til å forårsake slagionisering ved neste kollisjon; og så videre. Dette er effektivt en kjedereaksjon av elektrongenerering, og er avhengig av at de frie elektronene får tilstrekkelig energi mellom kollisjoner for å opprettholde skredet.

Ioniseringseffektivitet er forholdet mellom antall ioner som dannes og antall elektroner eller fotoner som brukes.

Ioniseringsenergi av atomer

Ioniseringsenergier til nøytrale elementer (spådd utover 104)

Trenden i atomiseringenes ioniseringsenergi brukes ofte for å demonstrere atoms periodiske oppførsel med hensyn til atomnummeret, som oppsummert ved å bestille atomer i Mendelejevs tabell . Dette er et verdifullt verktøy for å etablere og forstå rekkefølgen av elektroner i atomorbitaler uten å gå inn på detaljene i bølgefunksjoner eller ioniseringsprosessen. Et eksempel er presentert i figuren til høyre. Den periodiske brå nedgangen i ioniseringspotensialet etter sjeldne gassatomer indikerer for eksempel fremveksten av et nytt skall i alkalimetaller . I tillegg er de lokale maksimumene i ioniseringsenergi-plottet, som beveger seg fra venstre til høyre på rad, en indikasjon på s, p, d og f sub-shell.

Semiklassisk beskrivelse av ionisering

Klassisk fysikk og Bohr-modellen til atomet kan kvalitativt forklare fotoionisering og kollisjonsmediert ionisering. I disse tilfellene, under ioniseringsprosessen, overgår elektronens energi energiforskjellen til potensialbarrieren den prøver å passere. Den semiklassiske beskrivelsen kan imidlertid ikke beskrive tunnelionisering siden prosessen innebærer passering av elektron gjennom en klassisk forbudt potensiell barriere.

Kvantemekanisk beskrivelse av ionisering

Samspillet mellom atomer og molekyler med tilstrekkelig sterke laserpulser fører til ionisering til enkelt- eller multipliserte ladede ioner. Ioniseringshastigheten, dvs. ioniseringssannsynligheten i tidsenhet, kan bare beregnes ved hjelp av kvantemekanikk . Generelt er de analytiske løsningene ikke tilgjengelige, og tilnærmingene som kreves for håndterbare numeriske beregninger gir ikke nøyaktige nok resultater. Imidlertid, når laserintensiteten er tilstrekkelig høy, kan den detaljerte strukturen til atomet eller molekylet ignoreres, og analytisk løsning for ioniseringshastigheten er mulig.

Tunnelionisering

Kombinert potensial for et atom og et ensartet laserfelt. Ved avstander r < r 0 kan potensialet til laseren bli neglisjert, mens på avstander med r > r 0 er Coulomb -potensialet ubetydelig sammenlignet med laserfeltets potensial. Elektronet kommer ut under barrieren ved r = R c . E i er atomets ioniseringspotensial.

Tunnelionisering er ionisering på grunn av kvantetunnel . I klassisk ionisering må et elektron ha nok energi til å komme seg over potensialbarrieren, men kvantetunnel gjør at elektronet bare kan gå gjennom potensialbarrieren i stedet for å gå helt over det på grunn av elektronens bølgetype. Sannsynligheten for at et elektron tunneler gjennom barrieren synker eksponentielt med bredden på den potensielle barrieren. Derfor kan et elektron med høyere energi gjøre det lenger opp i potensiell barriere, og etterlate en mye tynnere barriere for tunnel gjennom og dermed en større sjanse til å gjøre det. I praksis er tunnelionisering observerbar når atomet eller molekylet interagerer med nær-infrarøde sterke laserpulser. Denne prosessen kan forstås som en prosess der et begrenset elektron, gjennom absorpsjon av mer enn ett foton fra laserfeltet, ioniseres. Dette bildet er generelt kjent som multiphotonionization (MPI).

Keldysh modellerte MPI -prosessen som en overgang av elektronet fra atomets grunntilstand til Volkov -statene. I denne modellen ignoreres forstyrrelsen av grunntilstanden med laserfeltet, og detaljene i atomstrukturen for å bestemme ioniseringssannsynligheten blir ikke tatt i betraktning. Den største vanskeligheten med Keldyshs modell var forsømmelsen av effekten av Coulomb -interaksjon på elektronens sluttilstand. Som det er observert fra figuren, er Coulomb -feltet ikke veldig lite i størrelse sammenlignet med laserens potensial ved større avstander fra kjernen. Dette er i kontrast til tilnærmingen ved å neglisjere potensialet til laseren i områder nær kjernen. Perelomov et al. inkluderte Coulomb -interaksjonen på større internukleære avstander. Modellen deres (som vi kaller PPT-modellen) ble avledet for potensial med kort rekkevidde og inkluderer effekten av Coulomb-interaksjonen på lang avstand gjennom korreksjon av første orden i den kvasi-klassiske handlingen. Larochelle et al. har sammenlignet de teoretisk forutsagte ion -kontra -intensitetskurver for sjeldne gassatomer som interagerer med en Ti: Sapphire -laser med eksperimentell måling. De har vist at den totale ioniseringshastigheten forutsagt av PPT -modellen passer veldig godt til de eksperimentelle ionutbyttene for alle sjeldne gasser i mellomregimet til Keldysh -parameteren.

Hastigheten på MPI på atom med et ioniseringspotensial i en lineært polarisert laser med frekvens er gitt av

hvor

  • er Keldyshs adiabaticity -parameter,
  • ,
  • er toppen elektriske feltet av laser og
  • .

Koeffisientene , og er gitt av

Koeffisienten er gitt av

hvor

Kvasi-statisk tunnelionisering

Den kvasi-statiske tunnelen (QST) er ioniseringen hvis hastighet tilfredsstillende kan forutses av ADK-modellen, dvs. grensen for PPT-modellen når den nærmer seg null. QST -prisen er gitt av

Sammenlignet med fraværet av summering over n, som representerer forskjellige topper over terskelionisering (ATI), er bemerkelsesverdig.

Sterk felttilnærming for ioniseringshastigheten

Beregningene av PPT er gjort i E -måleren, noe som betyr at laserfeltet blir tatt som elektromagnetiske bølger. Ioniseringshastigheten kan også beregnes i A -måler, som understreker lysets partikkeltype (absorberer flere fotoner under ionisering). Denne tilnærmingen ble vedtatt av Krainov -modellen basert på de tidligere verkene til Faisal og Reiss. Den resulterende prisen er gitt av

hvor:

  • med å være tankenergi,
  • er det minste antallet fotoner som er nødvendig for å ionisere atomet,
  • er den doble Bessel -funksjonen,
  • med vinkelen mellom momentet til elektronet, p , og det elektriske feltet til laseren, F ,
  • FT er den tredimensjonale Fouriertransformen, og
  • inkorporerer Coulomb -korreksjonen i SFA -modellen.

Atomisk stabilisering/populasjonsfangst

Ved beregning av frekvensen av MPI for atomer vurderes bare overganger til kontinuumtilstandene. En slik tilnærming er akseptabel så lenge det ikke er flerfotonresonans mellom grunntilstanden og noen eksiterte tilstander. I en reell situasjon for interaksjon med pulserende lasere, under utviklingen av laserintensiteten, på grunn av forskjellig Stark -skift i bakken og eksiterte tilstander, er det imidlertid en mulighet for at noen opphissede tilstander går i flerfotonresonans med grunntilstanden. Innenfor det kledde atombildet gjennomgår jordtilstanden kledd av fotoner og resonanttilstanden en unngått kryssing ved resonansintensiteten . Minimumsavstanden , ved den unngårde kryssingen er proporsjonal med den generaliserte Rabi -frekvensen, som kobler de to tilstandene. I følge Story et al., Er sannsynligheten for å forbli i grunntilstanden,, gitt av

hvor er den tidsavhengige energiforskjellen mellom de to kledde tilstandene. I interaksjon med en kort puls, hvis den dynamiske resonansen nås i den stigende eller fallende delen av pulsen, forblir befolkningen praktisk talt i grunntilstanden, og effekten av flerfotonresonanser kan bli neglisjert. Imidlertid, hvis tilstandene går til resonans på toppen av pulsen, hvor blir den eksiterte tilstanden befolket. Etter å ha blitt befolket, siden ioniseringspotensialet til den eksiterte tilstanden er lite, forventes det at elektronet umiddelbart blir ionisert.

I 1992 viste de Boer og Muller at Xe -atomer utsatt for korte laserpulser kunne overleve i de svært spente tilstandene 4f, 5f og 6f. Disse tilstandene ble antatt å ha blitt begeistret av det dynamiske Stark -skiftet av nivåene til flerfotonresonans med feltet under den stigende delen av laserpulsen. Etterfølgende utvikling av laserpulsen ioniserte ikke disse tilstandene fullstendig og etterlot noen svært opphissede atomer. Vi skal omtale dette fenomenet som "befolkningsfangst".

Skjematisk presentasjon av lambda -type populasjonsfangst. G er atomets grunntilstand. 1 og 2 er to degenererte eksiterte tilstander. Etter at befolkningen er overført til statene på grunn av multiphotonresonans, kobles disse tilstandene gjennom kontinuum c og befolkningen er fanget i superposisjonen av disse tilstandene.

Vi nevner den teoretiske beregningen at ufullstendig ionisering skjer når det er parallell resonanseksitasjon til et felles nivå med ioniseringstap. Vi vurderer en tilstand som 6f av Xe som består av 7 kvasi-degnerate nivåer i området laserbåndbredde. Disse nivåene utgjør sammen med kontinuum et lambdasystem. Mekanismen for fangst av lambda -type er skjematisk presentert i figur. Ved den stigende delen av pulsen (a) er den eksiterte tilstanden (med to degenererte nivåer 1 og 2) ikke i flerfotonresonans med grunntilstanden. Elektronet ioniseres gjennom multiphotonkopling med kontinuum. Etter hvert som pulsen intensitet øker, blir den eksiterte tilstanden og kontinuumet forskjøvet i energi på grunn av Stark -skiftet. På toppen av pulsen (b) går de eksiterte tilstandene til flerfotonresonans med grunntilstanden. Etter hvert som intensiteten begynner å synke (c), kobles de to tilstandene gjennom kontinuum og befolkningen er fanget i en sammenhengende superposisjon av de to statene. Under påfølgende virkning av den samme pulsen, på grunn av forstyrrelser i overgangsamplituden til lambda -systemet, kan feltet ikke ionisere befolkningen fullstendig, og en brøkdel av befolkningen vil bli fanget i en sammenhengende superposisjon av de kvasi -degenererte nivåene. I følge denne forklaringen ville statene med høyere vinkelmoment- med flere undernivåer- ha en større sannsynlighet for å fange befolkningen. Generelt vil styrken til fangst bestemmes av styrken til de to fotonkoblingen mellom de kvasi-degenererte nivåene via kontinuum. I 1996, ved bruk av den meget stabile laseren og ved å minimere maskeringseffektene av ekspansjonen av fokalområdet med økende intensitet, Talebpour et al. observerte strukturer på kurvene til enkeltladede ioner av Xe, Kr og Ar. Disse strukturene ble tilskrevet elektronfangst i det sterke laserfeltet. En mer entydig demonstrasjon av befolkningsfangst har blitt rapportert av T. Morishita og CD Lin.

Ikke-sekvensiell multiple ionisering

Fenomenet ikke-sekvensiell ionisering (NSI) av atomer utsatt for intense laserfelt har vært gjenstand for mange teoretiske og eksperimentelle studier siden 1983. Pionerarbeidet begynte med observasjon av en “kne” -struktur på Xe 2+ -ionesignalet kontra intensitetskurve av L'Huillier et al. Fra eksperimentelt synspunkt refererer NS -dobbelioniseringen til prosesser som på en eller annen måte øker produksjonshastigheten til dobbeltladede ioner med en enorm faktor ved intensiteter under metningsintensiteten til det enkeltladede ionet. Mange derimot foretrekker å definere NSI som en prosess der to elektroner ioniseres nesten samtidig. Denne definisjonen innebærer at bortsett fra den sekvensielle kanalen er det en annen kanal som er hovedbidraget til produksjonen av dobbeltladede ioner ved lavere intensiteter. Den første observasjonen av trippel NSI i argon som interagerer med en 1  µm laser ble rapportert av Augst et al. Senere, ved systematisk å studere NSI for alle sjeldne gassatomer, ble den firdoble NSI av Xe observert. Den viktigste konklusjonen av denne studien var observasjonen av følgende forhold mellom hastigheten på NSI til en hvilken som helst ladningstilstand og hastigheten for tunnelionisering (forutsagt av ADK -formelen) til de tidligere ladningstilstandene;

hvor er hastigheten for kvasi-statisk tunneling til jeg ladningstilstand og er noen konstanter avhengig av laserens bølgelengde (men ikke av pulsvarigheten).

To modeller har blitt foreslått for å forklare den ikke-sekvensielle ioniseringen; shake-off modellen og elektron re-spredning modell. Shake-off (SO) -modellen, først foreslått av Fittinghoff et al., Er adoptert fra ioniseringsfeltet til atomer med røntgenstråler og elektronprosjektiler der SO-prosessen er en av hovedmekanismene som er ansvarlige for at flere atomiseres. SO -modellen beskriver NS -prosessen som en mekanisme hvor ett elektron ioniseres av laserfeltet og avgangen til dette elektronet er så rask at de gjenværende elektronene ikke har nok tid til å tilpasse seg de nye energitilstandene. Derfor er det en viss sannsynlighet for at et annet elektron etter ioniseringen av det første elektronet er begeistret for tilstander med høyere energi (opprykk) eller til og med ionisert (avrystning). Vi bør nevne at det til nå ikke har vært noen kvantitativ beregning basert på SO -modellen, og modellen er fremdeles kvalitativ.

Elektronrescattering -modellen ble uavhengig utviklet av Kuchiev, Schafer et al , Corkum, Becker og Faisal og Faisal og Becker. Hovedtrekkene i modellen kan lett forstås ut fra Corkums versjon. Corkums modell beskriver NS -ioniseringen som en prosess der et elektron blir tunnelionisert. Elektronet samhandler deretter med laserfeltet der det akselereres vekk fra kjernekjernen. Hvis elektronet har blitt ionisert i en passende fase av feltet, vil det passere posisjonen til det gjenværende ionet en halv syklus senere, hvor det kan frigjøre et ekstra elektron ved elektronpåvirkning. Bare halvparten av tiden elektronen frigjøres med passende fase, og den andre halvparten kommer den aldri tilbake til atomkjernen. Maksimal kinetisk energi som returelektronet kan ha er 3,17 ganger laserens potensielle potensial ( ). Corkums modell setter en grenseverdi for minimumsintensiteten ( er proporsjonal med intensiteten) hvor ionisering på grunn av re-spredning kan forekomme.

Feynman-diagram for prosessen med dobbel ionisering i et atom gjennom re-spredning mekanisme

Re-spredningsmodellen i Kuchievs versjon (Kuchievs modell) er kvantemekanisk. Den grunnleggende ideen til modellen er illustrert av Feynman -diagrammer i figur a. Først er begge elektronene i grunntilstanden til et atom. Linjene markert a og b beskriver de tilsvarende atomtilstandene. Deretter ioniseres elektronet a. Begynnelsen på ioniseringsprosessen vises ved krysset med en skråstiplet linje. der MPI forekommer. Utbredelsen av det ioniserte elektronet i laserfeltet, der det absorberer andre fotoner (ATI), vises med hele den tykke linjen. Kollisjonen mellom dette elektronet og det overordnede atomionen er vist med en vertikal stiplet linje som representerer Coulomb -interaksjonen mellom elektronene. Tilstanden markert med c beskriver ioneksitasjonen til en diskret eller kontinuumstilstand. Figur b beskriver utvekslingsprosessen. Kuchievs modell, i motsetning til Corkums modell, forutsier ikke noen terskelintensitet for forekomsten av NS -ionisering.

Kuciev inkluderte ikke Coulomb -effektene på dynamikken til det ioniserte elektronet. Dette resulterte i en undervurdering av dobbeltioniseringshastigheten med en enorm faktor. Selvfølgelig, i tilnærmingen til Becker og Faisal (som tilsvarer Kuchievs modell i ånd), eksisterer denne ulempen ikke. Faktisk er modellen deres mer nøyaktig og lider ikke av det store antallet tilnærminger gjort av Kuchiev. Beregningsresultatene deres passet perfekt til de eksperimentelle resultatene til Walker et al. Becker og Faisal har vært i stand til å passe de eksperimentelle resultatene på flere NSI av sjeldne gassatomer ved å bruke modellen. Som et resultat kan elektron-spredning bli tatt som hovedmekanisme for forekomsten av NSI-prosessen.

Multiphotonionisering av indre-valenselektroner og fragmentering av polyatomiske molekyler

Ioniseringen av indre valenselektroner er ansvarlig for fragmenteringen av polyatomiske molekyler i sterke laserfelt. I henhold til en kvalitativ modell skjer dissosiasjonen av molekylene gjennom en tretrinnsmekanisme:

  • MPI av elektroner fra de indre orbitalene i molekylet som resulterer i et molekylært ion i ro-vibrasjonsnivåer i en opphisset elektronisk tilstand;
  • Rask overgang uten stråling til høytliggende ro-vibrasjonsnivåer i en lavere elektronisk tilstand; og
  • Påfølgende dissosiasjon av ionet til forskjellige fragmenter gjennom forskjellige fragmenteringskanaler.

Kortpulsindusert molekylær fragmentering kan brukes som en ionekilde for massespektroskopi med høy ytelse. Selektiviteten som tilbys av en kort pulsbasert kilde er bedre enn forventet ved bruk av konvensjonelle elektronioniseringsbaserte kilder, spesielt når identifisering av optiske isomerer er nødvendig.

Kramers-Henneberger ramme og ioniseringsfaseeffekter

Å studere atomets sterke feltionisering i såkalte Kramers-Henneberger (KH) ramme fører til konklusjonen at ioniseringseffektiviteten sterkt avhenger av de tidsmessige detaljene til den ioniserende pulsen, men ikke nødvendigvis av feltstyrken og den totale energien til ioniseringen puls pumpet inn i atomet. Kramers-Henneberger-rammen er den ikke-intertiale rammen som beveger seg med det frie elektronet under påvirkning av den harmoniske laserpulsen. Den frie elektronløsningen til Newton -ligningene for elektronet i en dimensjon i det harmoniske laserfeltet

vil også være harmonisk

Rammen som følger med dette elektronet vil bli oppnådd ved koordinattransformasjonen

mens det ekstra Coulomb -potensialet vil være

Hele syklus-tidsgjennomsnittet for det potensialet som er

vil være den jevne funksjonen til og derfor ha maksimum på mens for den opprinnelige tilstanden vil løsningen være i KH, og den vil derfor være identisk med den frie elektronløsningen i laboratorierammen. Elektronhastigheten derimot faseforskyves både til feltstyrken og til elektronposisjonen:

Vurderer vi wavelet -pulser og definerer ioniseringen som full flukt fra linjesegmentet i lengden 2r (eller fra det sfæriske området i tre dimensjoner) skjer den fullstendige ioniseringen i den klassiske modellen etter tiden eller ingen ionisering i det hele tatt, avhengig av om den harmoniske feltbølgen kuttes med null minimum eller maksimal hastighet.

Dissosiasjon - distinksjon

Et stoff kan dissosiere uten nødvendigvis å produsere ioner. Som et eksempel dissosierer molekylene av bordsukker i vann (sukker er oppløst), men eksisterer som intakte nøytrale enheter. En annen subtil hendelse er dissosiasjonen av natriumklorid (bordsalt) til natrium- og klorioner. Selv om det kan virke som et tilfelle av ionisering, eksisterer ionene i virkeligheten allerede i krystallgitteret. Når salt blir dissosiert, er dets bestanddeler ganske enkelt omgitt av vannmolekyler og virkningen av dem er synlig (f.eks. Blir løsningen elektrolytisk ). Imidlertid skjer ingen overføring eller forskyvning av elektroner. Faktisk innebærer den kjemiske syntesen av salt ionisering. Dette er en kjemisk reaksjon.

Se også

Bord

Faseoverganger av materie ( )
Til
Fra
Fast Væske Gass Plasma
Fast Smelting Sublimering
Væske Fryser Fordampning
Gass Deponering Kondensasjon Ionisering
Plasma Rekombinasjon

Referanser

Eksterne linker